淬火强度对6005A合金薄壁挤压型材性能影响

郝玉喜，徐伍刚，王 爽，吴 楠，孙 巍

(辽宁忠旺铝合金精深加工有限公司，辽宁 辽阳 111003)

随着交通运输领域材料轻量化的迅猛发展，及国家新能源政策的长效刺激，铝合金型材的应用越来越广泛[1-3]。6xxx系铝合金为Al-Mg-Si系中强铝合金，通过进行时效热处理，将会产生较高的强度、塑性及良好的成形性和工艺性特点，被广泛应用在汽车结构中[4-5]。型材良好塑性和延展性可提高其弯曲性能，同时有利于提高型材尺寸精度，以满足后期装配使用要求。针对汽车用铝合金型材，材料的吸能特性、折弯特性和尺寸等要求较为特殊，在具备一定强度的同时，也应具有良好的吸能特性，帮对于型材挤压工艺控制非常严格[6]。针对此问题，使用6005A挤压铝合金，对比同一断面在不同淬火强度下的折弯性能，分析淬火强度对型材折弯性能的影响，为实际生产提供理论指导，为6xxx系挤压铝合金折弯性能的深入研究提供参考。

1 试验方法

本课题主要研究对象为汽车型材，为排除不同断面因模具结构差异对挤出型材的组织及性能造成影响，试验选取同一断面进行不同淬火强度的研究。型材断面截面大，壁厚薄，存在多处空腔，见图1。在挤压生产过程中分别采用在线空冷、风冷、水雾冷却。另取空冷5支型材进行离线淬火，离线淬火加热温度520 ℃，保温20 min。取不同淬火制度下的试样各5支，175 ℃×8 h峰值时效后进行折弯、拉伸及高倍组织检测。合金成分和挤压工艺参数见表1与表2。

图1 型材断面形状Fig.1 Shape of the profile section

表1 6005A铝合金化学成分(质量分数，%)

表2 挤压工艺参数

检测标准和试验方法如表3所示，折弯试验示意图如图2所示。采用AG-X 100KN电子万能试验机对材料的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率进行检测；采用AG-X 150KN电子万能试验机研究型材时效后的折弯性能；采用AXIO万能研究级倒置式材料显微镜对材料的晶粒度和皮质层进行检测。弯曲试样在测试设备中进行弯曲，弯曲过程中持续施加载荷，当载荷达到最大时，停止施加载荷，测量折弯角度，并观察试样表面形态。

表3 试验条件

图2 折弯试验示意图Fig.2 Bending test diagram

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

6005A铝合金挤压型材采用不同的淬火方式冷却后进行175 ℃×8 h时效处理，力学性能检测结果见图3。由图3可看出，采用不同的冷却方式，其力学性能的差异较大。6005A合金属于淬火敏感性较低的合金，当淬火强度增大、冷却速度加快时，合金强度则有小幅提升，合金塑性随淬火冷却速率的增大而增大。在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体。淬火过程中，粗大第二相溶于Al合金基体，以过饱和固溶体形式被固定下来，不同的淬火制度提高溶质原子的固溶度。在空冷和风冷过程中，型材温度缓慢降低，冷却速率小于200 ℃/min，两者的低速冷却过程中，强化相Mg2Si在淬火冷却过程中有微量析出，致使时效过程中沉淀相析出驱动力降低，后期时效过程中合金强度较低。采用水雾冷却方式，型材冷却速率增大至280 ℃/min，型材在相当短的时间内降到一定温度，可以保证型材时效前的固溶效果，控制了淬火过程中β′的前期非均匀析出，确保时效过程中的Mg、Si元素的过饱和固溶度和β′的形核驱动力，使其在时效时均匀析出和细化，从而提高型材的力学性能。离线生产时合金力学性能最好，但是型材变形严重，且实际生产过程中涉及到复杂工艺和转运，导致成本大大提高。因此采用水雾冷却生产，冷却速率为280 ℃/min时，型材抗拉强度为294 MPa，屈服强度为271 MPa，延伸率为15.8%，合金强度、塑性较好，可以满足客户的使用需求的同时也降低生产难度和成本。

图3 力学性能检测结果Fig.3 Test results of mechanical properties

2.2 高倍组织

6005A铝合金挤压型材高倍晶粒度检测结果见图4，各淬火制度下型材的基体晶粒度无明显差异，冷却速率对基体晶粒大小无显著影响。皮质层晶粒度检测结果见图5，离线淬火型材的皮质层厚度和晶粒尺寸均是最小的。可以看出，挤压型材壁厚心部呈纤维组织，表面呈全截面等轴晶体，这是因为型材表面挤压和成型过程中，变形较大，受摩擦力的影响较大，位错密度较高，变形储能也越高，驱动再结晶的形成，晶粒异常长大形成粗晶组织；但是淬火强度的提高，部分晶粒来不及长大，粗晶层厚度相对略有降低[7-8]。这种粗晶组织影响耐蚀、焊接及疲劳等性能，导致型材表面质量的恶化和延伸率降低。与图2中的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率的表现是一致的。

(a) 空冷，6.5级；(b) 风冷，7级；(c) 水雾，6.5级；(d)离线淬火，7级图4 基体晶粒度评级(a)air cooling, grade 6.5；(b) air cooling, grade 7；(c) water mist, grade 6.5；(d) off-line quenching, grade 7Fig.4 Grading of matrix grain size

(a) 空冷，1.5级，皮质层厚度0.094 mm；(b)风冷，1.5级，皮质层厚度0.352 mm；(c) 水雾，1.5级，皮质层厚度0.104mm；(d) 离线淬火，2.5级，皮质层厚度0.084 mm图5 皮质层晶粒检测(a)air cooling, grade 1.5，cortical thickness 0.094 mm；(b) air cooling, grade 1.5，cortical thickness 0.352 mm；(c) water mist, grade 1.5，cortical thickness 0.104 mm；(d) off-line quenching, grade 2.5，cortical thickness 0.084 mmFig.5 Cortical grain detection

2.3 折弯性能

6005A铝合金挤压型材折弯性能检测结果见图6。其变化趋势与力学性能变化是一致的，随着淬火强度提高，折弯角度增加，离线淬火时折弯性能最好。折弯性能是反映型材塑性的指标，延伸率越大则塑性越好，进而折弯角度就会越大。折弯角度最大为107.6°，其次是水雾、风冷的空冷，折弯角度范围为65.4°～100.6°。结合图6和图3可以看出，型材强度提高的同时塑性也会变强，但折弯性能不受合金强度限制，与合金强度无必然的联系，当合金强度较大时可保证塑性良好；同时晶粒组织较均匀时，折弯性能也较为优异。针对6005A型的薄壁型材来说，淬火强度及冷却速率对折弯性能的影响将变得更大。提高淬火冷却速度不能明显细化型材晶粒组织，但能大幅度提高型材的性能，这主要与快冷条件下6005A合金中合金元素的固溶程度的提高有密切的相关性。当快速冷却时，基体的过饱和固溶程度会增大，同时，避免了淬火过程中β′的前期非均匀析出，增大时效时β′的形核驱动力使其细化，从而大大提高型材的折弯性能。

图6 折弯性能检测结果Fig.6 Test results of bending properties

但从生产角度考虑，由于断面复杂程度各异，较大淬火强度可能导致型材的冷却产生不均匀性，进而发生扭拧变形，产品后续拉伸矫直难度增大，不易控型材的尺寸精度，生产效率低且成本高[9]。实际生产中型材可采用水雾生产，板材可选用风冷，控制淬火冷却速率280 ℃/min以上，此时，折弯件表面良好，折弯角度较大，力学性能也达到一般结构件的强度要求。故可根据型材壁厚及断面形状，选择适当淬火强度，严格控制出口温度及出淬温度，通过调节冷却速率来保证折弯性能。

3 结论

本文分析在不同淬火条件对6005A铝合金组织和性能的影响，主要结论如下：

1)淬火强度对6005A薄壁型材折弯性能有较大影响，随淬火强度增大，型材折弯角度增大，塑性可显著提升。在离线淬火时，折弯性能达到最好。

2)不同淬火强度对6005A铝合金型材基体晶粒度无明显影响，各淬火制度下皮质层厚度稍有差异，而离线淬火型材的皮质层厚度最小。

3)对于6005A合金，强度和折弯性能无必然联系，较大的强度不一定影响折弯性能，而延伸率对折弯性能有一定影响，延伸率越大则塑性越好，折弯角度越大。

4)对于有折弯要求的产品，实际生产中可根据断面壁厚、力学要求、尺寸精度来选择淬火方式。为提高生产效率、节约生产成本，壁厚2 mm的6005A铝合金采用水雾生产时折弯性能是最佳的。对于不能采用强淬火冷却的型材，可通过控制棒温和速度来保证模具出口温度和出淬火区温度，使冷却速率大于280 ℃/min，既能保证型材力学性能也可得到较好折弯性能。